专利名称：用于脱水藻类并从其中再循环水的方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及提取和分馏藻类产物，包括但不限于油和蛋白。更具体地，本文所述的系统和方法以略微非极性的溶剂利用分步提取和分馏来加工湿藻类生物质。
背景技术：
石油是主要包括烃类的天然来源。从地球提取石油是昂贵、危险的，经常以环境为代价。而且，世界范围的油储备正在快速减少。由于运输和转化石油为可用燃料诸如汽油和喷气燃料所需的加工，成本还增加了。藻类近年来由于其产生脂质的能力而获得了明显的重要性，可用于产生可持续的生物燃料。可以利用这一能力来产生可再生燃料，减少全球气候变化，和处理废水。藻类作为生物燃料原料的优势来自于多种因素，包括与典型陆生油料作物植物相比高的每英亩生产率、基于非食物的原料来源、使用本来非生产性、不可耕作的土地、使用宽范围的水源(淡水、半咸水、盐水和废水)、产生生物燃料和有价值的副产物诸如类胡萝卜素和叶绿素二者。在过去几十年已经筛选和研究了数千种藻类物种的脂质产量。其中，已经鉴定了富集脂质产量的约300种物种。脂质的组成和含量在生命周期的不同阶段变化，并受环境和培养条件影响。由于藻类细胞壁的生化组成和物理性质的显著差异性，用于提取的策略和方法取决于采用的单独藻类物种/株系是相当不同的。由于细胞壁的厚度和藻类细胞的小尺寸(约2至约20nm)，传统物理提取工艺诸如挤压，对藻类不能很好地起作用。而且与从种子回收的典型油类相比，藻油中的大量极性脂质带来精炼问题。收获后，培养物中典型的藻类浓度从约0. 1-1. 0%(w/v)变化。这意味着，在试图提取油之前，必须去除每单位重量藻类多达1000倍的水量。目前，现有的含油材料油提取方法严格地要求几乎完全干燥的进料以改进所提取的油的产率和品质。由于加热藻类团块使其充分干燥所需能量的量，使得向生物燃料工艺进料藻类是不经济的。通常，在高温挤压或压碎进料以强化提取。由于藻类的单细胞测微性质，这些步骤以现有的设备可能不起作用。而且，藻油由于存在双键长链脂肪酸是非常不稳定的。传统提取方法中使用的高温导致油降解，从而增加这类方法的成本。本领域已知通过使用己烷作为溶剂从干燥的藻类团块提取油。这一工艺是能量密集型的。使用热来干燥和使用己烷来提取产生较低品质的产物，因为这一类型的加工导致脂质和蛋白降解。
藻油提取可分为两类破坏性方法和非破坏性方法。破坏性方法包括通过机械、热、酶促或化学方法展平细胞。大多数破坏性方法产生乳液，需要昂贵的清除工艺。藻油包含大百分比的极性脂质和蛋白，这增强中性脂质的乳化。乳化被溶液中保留的营养素和盐成分进一步稳定化。乳液是复杂混合物，包含中性脂质、极性脂质、蛋白和其他藻类产物，需要深入精炼工艺来分离中性脂质，中性脂质是被转化为生物燃料的进料。非破坏性方法提供低产量。乳化(Milking)是使用溶剂或化学品来从生长的藻类培养物提取脂质。虽然有时用来提取藻类产物，但是由于溶剂毒性和细胞壁破坏，乳化对于一些物种的藻类可能不起作用。这一困难使得难以开发通用的工艺。而且，由于介质中溶剂的最大可获得浓度，所需溶剂的体积将是庞大的。多相提取将要求大量蒸馏，使用复杂的溶剂混合物，并使用于溶剂回收和再循环的机械成为必要。这使得这样的提取对于用在藻油技术中不实用和不经济。
因此，为了克服这些缺点，本领域中存在对用于提取和分馏藻类产物，尤其是藻油、藻类蛋白和藻类类胡萝卜素的改进方法和系统的需求。
发明概要本文所述的实施方案一般涉及用于从包括例如藻类生物质的含油材料提取具有不同极性的脂质的系统和方法。尤其是，本文所述的实施方案涉及使用不同极性的溶剂和/或一系列膜式滤器从藻类生物质提取不同极性的脂质。在一些实施方案中，该滤器是微滤器。在本发明的一些实施方案中，使用单种溶剂和水来萃取和分馏含油材料中存在的成分。在其他实施方案中，这些成分包括但不限于，蛋白、极性脂质和中性脂质。在又其他的实施方案中，使用多于一种溶剂。在又其他的实施方案中，使用溶剂的混合物。在一些实施方案中，本文所述的方法和系统可用于从含油材料提取脂质的副产物。这样的副产物的实例包括但不限于，蛋白质材料、叶绿素和类胡萝卜素。本发明的实施方案允许以允许产生燃料和营养产物二者的方式从藻类生物质同时提取和分馏藻类产物。在本发明的一个实施方案中，提供了脱水藻类并从其再循环水的方法。在本发明的另外实施方案中，脱水湿藻类细胞培养物的方法包括使用烧结的金属管滤器去除藻类细胞培养物中的液体的至少一部分以获得具有比所述藻类细胞培养物低的液体含量的湿藻类生物质级分，并再循环从所述藻类细胞培养物去除的液体的至少一部分用于不同的藻类细胞培养物中。该方法还包括向所述湿藻类生物质级分加入水可混溶溶剂组并等待一定的时间量以允许所述藻类生物质级分的藻类细胞聚集。该方法还包括分离所述聚集的藻类细胞的至少一部分与所述溶剂组的至少一部分和所述湿藻类生物质级分的液体从而产生脱水的藻类生物质。在本发明的又另一实施方案中，脱水湿藻类细胞培养物的方法包括使用膜、离心、烧结的金属管、溶气浮选和絮凝中的至少一种去除藻类细胞培养物中液体的至少一部分以获得具有比所述藻类细胞培养物低的液体含量的湿藻类生物质级分，并再循环从所述藻类细胞培养物去除的液体的至少一部分用于不同的藻类细胞培养物中。该方法还包括向所述湿藻类生物质级分加入水可混溶溶剂组并等待一定的时间量以允许所述藻类生物质级分的藻类细胞聚集。该方法还包括分离所述聚集的藻类细胞的至少一部分与所述溶剂组的至少一部分和所述湿藻类生物质级分的液体从而产生脱水的藻类生物质。在本发明的又另外实施方案中，脱水湿藻类细胞培养物的方法包括去除湿藻类细胞培养物中的液体的至少一部分以获得具有比所述藻类细胞培养物低的液体含量的湿藻类生物质级分，并向所述湿藻类生物质级分加入包含一种或多种溶剂的第一水可混溶溶剂组。该方法还包括从所述湿藻类生物质级分与水可混溶溶剂组的混合物产生大致上液相和大致上固相，并分离所述大致上固相的至少一部分。该方法还包括向所述大致上固相的分离部分加入包含一种或多种溶剂的第二水可混溶溶剂组，并通过沉淀或浮选藻类固体分离所述大致上固相与第二水可混溶溶剂组的混合物的藻类固体的至少一部分。该方法还包括再循环所述第一水可混溶溶剂组和第二水可混溶溶剂组的至少之一的至少一部分至随后的藻类细胞培养物脱水工艺。附图简述图IA是根据本公开内容的示例性实施方案的一种方法中包括的步骤的流程图。·图IB是根据本公开内容的脱水工艺的示例性实施方案的示意图。图2是根据本公开内容的提取系统的示例性实施方案的示意图。图3是显示使用包括完全极性范围的一系列溶剂对冻干的藻类生物质的Sohxlet提取的比较图，显示最大非破坏性藻油提取效力和极性对极性脂质和非极性脂质提取的影响。图4A&B是显示以三种不同温度使用甲醇和石油醚的两步溶剂提取工艺中的中性脂质⑷纯度和⑶回收率的图示。图5A&B是显示以三种不同温度使用甲醇水溶液和石油醚的两步溶剂提取工艺中的中性脂质(A)纯度和(B)回收率的图。图6是显示以三种不同温度使用甲醇水溶液和石油醚的两步溶剂提取工艺中的脂质回收率的图。图7是显示溶剂与固体生物质的比例对脂质回收率的影响的图。图8是显示甲醇水溶液的单步提取回收中不同提取水溶液对干燥生物质的效力的图。图9是显示多步甲醇提取对累积总脂质产率和中性脂质纯度的影响的图。
图10是显示使用湿生物质和乙醇的脂质累积回收率的图。图11是显示比较微波辅助提取与常规提取系统的提取时间的图。图12A是根据本公开内容的示例性实施方案的方法中包括的步骤的流程图，其并入了蛋白提取步骤。图12A中的所有单位是磅。图12B是根据本公开内容的示例性提取工艺中包括的步骤的流程图。图13是描述本发明的实施方案之一的流程图和质量平衡图，其中经由提取和分馏加工1000磅的藻类生物质以从该藻类生物质分离中性脂质、极性脂质和蛋白。图14是描述本发明的实施方案之一的流程图，其中可以加工藻类团块以形成多种产物。图15是描述本发明的实施方案之一的流程图，其中加工藻类中性脂质以形成多种产物。
图16是描述本发明的实施方案之一的流程图，其中加工藻类中性脂质来形成燃料产品。图17是描述本发明的实施方案之一的流程图，其中从淡水藻类生物质选择性提取藻类蛋白。图18是描述本发明的实施方案之一的流程图，其中从盐水藻类生物质选择性提取藻类蛋白。图19是描述本发明的实施方案之一的流程图，其中从盐水或淡水藻类生物质提取所选的藻类蛋白。图20是描述本发明的实施方案之一的流程图，其中从盐水或淡水藻类生物质提取所选的藻类蛋白。图21是显示使用本文公开的方法提取之前和之后的栅藻属(Scenedescemus SP.)细胞的照片。细胞在提取之前和之后都是大致上完整的。详述本文使用的术语“管道”或其任何变化形式，包括可经由其输送流体的任何结构。管道的非限制性实例包括管子、配管、管槽或其他封闭结构。本文使用的术语“储器(reservoir) ”或其任何变化形式，包括能够保持流体的任何实体结构。储器的非限制性实例包括池塘、罐、湖、桶或其他类似结构。本文使用的术语“约”或“大约”定义为由本领域技术人员理解的接近，在一个非限制性实施方案中该术语定义为在10%内、优选地在5%内、更优选地在1%内、和最优选地在O. 5%内。本文使用的术语“抑制”或“减少”或这些术语的任何变化形式，包括为实现期望结果的任何可测量的降低或完全抑制。本文使用的术语“有效”是指足以实现期望的、预料的或预期的结果。词语“一(a) ”或“一 (an) ”在本文当联合术语“包括”使用时可表示“一个(one) ”，但其也与“一个或多个”、“至少一个”和“一个或多于一个”的含义一致。本文使用的术语“或”是指“和/或”，除非明确地指出是仅指备选项或备选项是互斥的，尽管公开内容支持仅指备选项和“和/或”的定义。本文使用的术语“湿”用于表示包含约50%至约99. 9%含水量。含水量可以是胞内或胞外的。本文使用的术语“溶剂组”用于指包含一种或多种溶剂的组合物。这些溶剂可以是两亲的(还称为两性的或略微非极性的)、亲水或疏水的。在一些实施方案中，这些溶剂是水可混溶的，在其他实施方案中，它们是水中不可混溶的。可用于实践本发明方法的溶剂的非限制性实例包括甲醇、乙醇、异丙醇、丙酮、乙酸乙酯、和乙腈、烷烃类(己烷、戊烷、庚烷、辛烷)、酯类(乙酸乙酯、乙酸丁酯)、酮类(甲基乙基酮(MEK)、甲基异丁基酮(MIBK))、芳族化合物(甲苯、苯、环己烷、四氢呋喃)、齒代烷(氯仿、三氯乙烯)、醚类(二乙醚)、和混合物(柴油、喷气燃料、汽油)。本文使用的术语“油”包括包含中性脂质和极性脂质的组合物。本文使用的术语“藻油(algae oil)”和“藻油(algal oil)”可互换地使用。
本文使用的术语“扩散物”或“渗透物〃可以指已经经过分离装置(包括但不限于滤器或膜)的材料。本文使用的术语“滞留物”可以指在扩散物已经经过分离装置后剩余的材料。本文使用的词语“包含”(和包含的任何形式诸如“comprise”和“comprises”)、“具有”(和具有的任何形式诸如“have”和“has”)、“包括”(和包括的任何形式诸如“ includes”和“ include”)、或“含有”(和含有的任何形式诸如“contains”和“contain”)是封闭式或开放式的，不排除另外的、未提及的元素或方法步骤。 本文使用的术语“极性脂质”或其任何变化形式包括但不限于，磷脂和糖脂。本文使用的术语“中性脂质”或其任何变化形式包括但不限于，甘油三酯、甘油二酯、甘油单酯、类胡萝卜素、蜡、固醇类。 本文使用的术语“固相”是指通常较为固态的材料的集合，不意为表示该相中的所有材料是固态。因此，具有实质量的固体同时保留一些液体的相被这一术语的定义涵盖。同时，本文使用的术语“液相”是指通常较为液态的材料的集合，且这样的集合可包括固体材料。本文使用的术语“生物柴油”是指来源于藻类的脂肪酸的甲酯或乙酯。本文使用的术语“营养品”是指提供健康和/或医学益处的食物。非限制性实例包括类胡萝卜素、胡萝卜烯类、叶黄素诸如玉米黄质、虾青素和叶黄质。本文使用的术语“生物燃料”是指来源于生物来源的燃料。非限制性实例包括生物柴油、喷气燃料、柴油、调合用喷气燃料(jet fuel blend stock)和调合用柴油(dieselblend stock)。本文联合极性脂质使用的术语“杂质”是指与目标产物共提取或与目标产物具有相同特性的目标产物以外的所有成分。本文联合极性脂质使用的术语“润滑剂”是指加氢处理的藻类脂质诸如C16-C20
烷烃类。本文联合极性脂质使用的术语“去垢剂”是指糖脂、磷脂及其衍生物。本文联合极性脂质使用的术语“食品添加剂”是指大豆卵磷脂替代品或来源于藻类的磷脂。本文使用的术语“非甘油物质”是指与甘油级分分离的任何杂质。进一步的清除步骤将去除存在的大多数以产生药品级甘油。本文使用的术语“不饱和脂肪酸”是指具有至少一个碳双键的脂肪酸。不饱和脂肪酸的非限制性实例包括棕榈油酸、十七酸、硬脂酸、油酸、十八碳烯酸、亚油酸、Y-亚油酸、α亚油酸、花生酸、二十碳烯酸、高Y亚油酸、花生四烯酸、二十碳五烯酸、二十二碳酸、二十二碳二烯酸、二^^一碳五烯酸、二十二碳四烯酸。主链中具有20或更多个碳原子的脂肪酸一般称为“长链脂肪酸”。主链中具有19或更少个碳原子的脂肪酸一般称为“短链脂肪酸”。不饱和长链脂肪酸包括但不限于，ω-3脂肪酸、ω-6脂肪酸和ω-9脂肪酸。本文使用的术语“ ω-3脂肪酸”是指，但不限于表I中列出的脂肪酸。表I
权利要求
1.一种脱水湿藻类细胞培养物的方法，所述方法包括 a.使用烧结的金属管滤器去除藻类细胞培养物中的液体的至少一部分以获得具有比所述藻类细胞培养物低的液体含量的湿藻类生物质级分； b.再循环从所述藻类细胞培养物去除的液体的至少一部分用于不同的藻类细胞培养物中； c.向所述湿藻类生物质级分加入水可混溶溶剂组并等待一定的时间量以允许所述藻类生物质级分的藻类细胞聚集；和 d.分离聚集的藻类细胞的至少一部分与所述溶剂组的至少一部分和所述湿藻类生物质级分的液体从而产生脱水的藻类生物质。
2.如权利要求I所述的方法，其中所述脱水的藻类生物质是藻类糊或藻类块。
3.如权利要求I所述的方法,其中所述水可混溶溶剂组的密度比水低或高至少约10%。
4.如权利要求I所述的方法，其中所述溶剂组包括二醇、甘油、丙酮、乙腈和醇类的一种或多种。
5.如权利要求I所述的方法，其中所述藻类细胞不被加入所述水可混溶溶剂组而溶解。
6.一种脱水湿藻类细胞培养物的方法，所述方法包括 a.使用膜、离心、烧结的金属管、溶气浮选和絮凝中的至少一种去除藻类细胞培养物中液体的至少一部分以获得具有比所述藻类细胞培养物低的液体含量的湿藻类生物质级分； b.再循环从所述藻类细胞培养物去除的液体的至少一部分用于不同的藻类细胞培养物中； c.向所述湿藻类生物质级分加入水可混溶溶剂组并等待一定的时间量以允许所述藻类生物质级分的藻类细胞聚集；和 d.分离所述聚集的藻类细胞的至少一部分与所述溶剂组的至少一部分和所述湿藻类生物质级分的液体从而产生脱水的藻类生物质。
7.如权利要求6所述的方法，其中所述脱水的藻类生物质是藻类糊或藻类块。
8.如权利要求6所述的方法，其中所述水可混溶溶剂组的密度比水低或高至少约10%。
9.如权利要求6所述的方法，其中所述溶剂组包括二醇、甘油、丙酮、乙腈和醇类的一种或多种。
10.如权利要求6所述的方法，其中所述藻类细胞不被加入所述水可混溶溶剂组而溶解。
11.一种脱水湿藻类细胞培养物的方法，所述方法包括 a.去除湿藻类细胞培养物中的液体的至少一部分以获得具有比所述藻类细胞培养物低的液体含量的湿藻类生物质级分； b.向所述湿藻类生物质级分加入包含一种或多种溶剂的第一水可混溶溶剂组； c.从所述湿藻类生物质级分与水可混溶溶剂组的混合物产生大致上液相和大致上固相； d.分离所述大致上固相的至少一部分； e.向所述大致上固相的分离部分加入包含一种或多种溶剂的第二水可混溶溶剂组；f.通过沉淀或浮选所述藻类固体分离所述大致上固相与第二水可混溶溶剂组的混合物的藻类固体的至少一部分；和 g.再循环所述第一水可混溶溶剂组和第二水可混溶溶剂组的至少之一的至少一部分至随后的藻类细胞培养物脱水工艺。
12.如权利要求11所述的方法，其中所述脱水的藻类生物质是藻类糊或藻类块。
13.如权利要求11所述的方法，其中所述水可混溶溶剂组的密度比水低或高至少约10%。
14.如权利要求11所述的方法，其中所述第一水可混溶溶剂组和所述第二水可混溶溶剂组的至少之一包括醇类和甘油的至少一种。
15.如权利要求11所述的方法，其中所述藻类细胞不被加入所述第一水可混溶溶剂组或所述第二水可混溶溶剂组而溶解。
全文摘要
提供了一种脱水藻类并从其中再循环水的方法。脱水湿藻类细胞培养物的方法包括从藻类细胞培养物去除液体以获得具有比藻类细胞培养物低的液体含量的湿藻类生物质。从藻类细胞培养物去除的液体的至少一部分被再循环用于不同的藻类细胞培养物中。该方法包括向湿藻类生物质加入水可混溶溶剂组并等待足够时间量以允许藻类生物质的藻类细胞聚集并分离聚集的藻类细胞的至少一部分与溶剂组的至少一部分和湿藻类生物质的液体从而产生脱水的藻类生物质。脱水的藻类生物质可用于产生藻类产物，诸如生物燃料和营养品。
文档编号A23J1/00GK102985528SQ201180017848
公开日2013年3月20日 申请日期2011年4月6日 优先权日2010年4月6日
发明者艾尼科特·凯莱 申请人:赫里开发公司